尋找薛定諤的貓

前言

　　我們題目中的貓是個神奇的動物，而薛定諤卻是個真實的人。厄爾文·薛定諤是一位奧地利科學(xué)家。他在20世紀20年代中期創(chuàng)立了現(xiàn)在被稱為量子力學(xué)的科學(xué)分支中的一個方程。這個分支幾乎不能算是個正確的描述，但是量子力學(xué)卻為所有現(xiàn)代科學(xué)提供了基礎(chǔ)。這個方程描述很小的物體，一般說來是原子大小或者比原子更小的物體。這為微觀世界提供了唯一一種解釋。沒有這些方程，物理學(xué)家將無法建設(shè)核電站（或制造原子彈），制造激光器，或者解釋太陽為什么是熾熱的。沒有量子力學(xué)，化學(xué)家們將仍然停留在黑暗年代，也不會有分子生物學(xué)，不會有對DNA的理解，不會有遺傳工程——不會有任何科學(xué)?！　×孔永碚摯碇茖W(xué)的最大進展，比相對論具有更大的意義，也更直接更實用，甚至能引發(fā)許多奇特的預(yù)言。量子力學(xué)世界是那么神奇，實際上連阿爾伯特·愛因斯坦也發(fā)現(xiàn)其難以理解，因而拒絕接受由薛定諤及其同事創(chuàng)立的理論結(jié)果。愛因斯坦及許多其他科學(xué)家發(fā)現(xiàn)將量子力學(xué)方程視為一種數(shù)學(xué)上的簡單表述更為合適，認為它僅是對原子及亞原子粒子行為的一個合理的描述。但其本身隱藏了更深的真理，這些真理更接近于日常的真實性。因為量子力學(xué)給出的是：沒有什么是真實的，我們不去觀察它們時，則什么也不能說。薛定諤那奇怪的貓用來區(qū)別量子世界以及日常生活中所見到的世界?！　≡诹孔恿W(xué)世界中，日常所見的熟悉的物理定律不再成立。取而代之的是事件發(fā)生的概率性。例如具有輻射性的原子可能衰變放出電子，也可能不?？梢赃@樣設(shè)計一個實驗：具有輻射能力的物質(zhì)具有50％的機會在某一特定時間內(nèi)發(fā)生衰變。如果其衰變，就會被探測器記錄下來。

內(nèi)容概要

約翰·R·格列賓是一位著名的科學(xué)家，同時又是一位優(yōu)秀的科學(xué)作家，他以淺顯易懂的文學(xué)向讀者展現(xiàn)了現(xiàn)代物理學(xué)最幽深美麗的一面。   本書是格列賓兩部著作的合集——《尋找薛定諤的貓》和《薛定諤的小貓》，書中全面論述了量子理論的基本概念，并賦予那些無限復(fù)雜又傷腦筋的實驗以生機，使我們可以毫不費力地把握現(xiàn)代量子力學(xué)之迷。   同時，本書還揭示了一些讓人著迷的發(fā)現(xiàn)——或許將來有一天，量子粒子可用來作星際的信息遠程傳輸，且運用量子效應(yīng)可使傳送的信息不致被截獲和破譯。

作者簡介

約翰·格里賓，劍橋大學(xué)天體物理學(xué)博士，英國蘇塞克斯大學(xué)客座研究員，《新科學(xué)家》雜志顧問，一位卓有成就的理論天體物理學(xué)家。他學(xué)識淵博，涉獵廣泛，科學(xué)研究之余創(chuàng)作了大量的暢銷科普書，包括《尋找薛定諤的貓》、《奧米伽點》、《大爆炸探秘》、《宇宙的發(fā)端》、《迷人的科學(xué)風(fēng)采——費恩曼傳》等。他的書已翻譯成多種語言，在英國和美國都獲得過獎勵。他也撰寫科幻作品。約翰·格里賓現(xiàn)與妻子瑪麗(也是一位科普作家)和兩個兒子住在蘇塞克斯。

書籍目錄

第一篇 尋找薛定諤的貓　引言　序言：沒有什么是真實的　第一部分 量子理論 　 第一章 光  　第二章 原子  　第三章 光與原子  　第四章 玻爾的原子　第二部分  量子力學(xué)  　第五章 光子力學(xué)  　第六章 矩陳和波  　第七章 用量子進行烹調(diào)　第三部分 題外話 　 第八章 機會不確定性  　第九章 佯謬和可能性  　第十章 檢驗布丁  　第十一章 多個世界　后記 未完的工作　參考文獻第二篇 薛定諤的小貓　前言　序言  問題 　 第一章 舊光學(xué)  　第二章 現(xiàn)代  　第三章 奇異而真實  　第四章 最后的補救  　第五章 思考思考事情　結(jié)語　解決方案：我們這一時代的秘密參考書目

章節(jié)摘錄

　　第一篇 尋找薛定諤的貓　　第一部分 量子理論　　第一章　光　　艾薩克?牛頓創(chuàng)立了物理學(xué)，實際上他創(chuàng)立了一切依賴于物理的科學(xué)。當(dāng)然牛頓的工作也是在其他人基礎(chǔ)上的，但正是由于他在300年前發(fā)現(xiàn)的運動三大定律及引力理論，才使科學(xué)走向通往空間飛行、激光、原子能、基因工程、化學(xué)及其他一切的里程。在200年的時間里，牛頓理論（現(xiàn)在稱為“經(jīng)典”物理）高高在上，處于統(tǒng)治地位；在20世紀革新中，對物理的見識已遠遠超過了牛頓時代。可是若沒有那200年的科學(xué)發(fā)展，就不會有這種深刻的理論。本書不是科學(xué)史，它更關(guān)注新物理——量子物理，而不是經(jīng)典思想。但就是在300年前的牛頓的工作中已有將要發(fā)生變革的跡象——不是出于其對行星運動及其軌道或是著名的三大定律，而是出于對光本質(zhì)的研究?！　∨ｎD關(guān)于光的想法多出于對固定形狀物體及行星軌道的行為的看法。他認識到，我們?nèi)粘ξ矬w行為的經(jīng)驗可能是一種誤導(dǎo)，一個物體或粒子在不受別的東西的影響時一定與在地球表面的粒子不同。這里，我們?nèi)粘＝?jīng)驗告訴我們，除非你去推一個物體，它會呆在那兒不動，如果一旦你不推它，它就很快停止運動。那么，為什么像行星及月亮等物體卻不停在它們的軌道上呢？有什么東西在推動它們嗎？沒有。這是因為行星處于它本來的狀態(tài)，與外界沒有聯(lián)系，而地球上的物體總是相互關(guān)聯(lián)著。如果我想將鋼筆拉過桌面，我的推力與桌面同筆之間的摩擦力對抗著，正是這種力才在我不推動時讓筆停下來的。如果沒有摩擦，筆就會一直運動下去。這就是牛頓第一定律：除非有外力作用于其上，一個物體總保持靜止或以恒定的速度運動。牛頓第二定律告訴我們外力（這里指推力）對物體的效果。力改變了物體的運動速度，速度的變化稱為加速度；你將力除以物體的質(zhì)量，就得到此力作用于物體產(chǎn)生的加速度。通常，第二定律被描繪為另一種形式：力等于質(zhì)量乘以加速度。牛頓第三定律告訴我們物體是怎樣反作用于推動它的物體的：對于每一個作用存在大小相等方向相反的反作用。我用球拍去打一個網(wǎng)球時，球拍推向網(wǎng)球的力剛好等于網(wǎng)球推向球拍的力，但方向剛好相反；在桌子上的鋼筆，受重力向下壓，其壓力剛好等于桌面彈向它的力；火箭的燃氣室中，爆炸過程產(chǎn)生的氣體向后沖去的力則正好產(chǎn)生大小相等但方向相反的推動火箭的力。　　這些定律連同牛頓的引力定律，解釋了行星繞太陽及月亮繞地球的運動。適當(dāng)?shù)赜嬋肽Σ亮Γ簿涂梢越忉尩厍蛏衔矬w的狀況。這些就構(gòu)成了力學(xué)的基礎(chǔ)。但這仍有隱含的哲學(xué)上的困惑。根據(jù)牛頓定律，一個粒子的行為可根據(jù)其他粒子對它的作用力及它本身受到的作用力確定。那么如果能夠知道這個宇宙所有粒子的速度與位置，就能夠精確地預(yù)言每個粒子的未來行為，從而預(yù)言這個宇宙的未來。這是否意味著這個宇宙就像鐘表一樣，被造物主上緊了發(fā)條放在那兒，沿著一條完全可以預(yù)言的途徑運動呢？牛頓的經(jīng)典力學(xué)提供了這種確定性宇宙觀有足夠多的支持，這兩種圖像給人的自由意志沒有留下多少機會。是否我們真的就是沿著預(yù)設(shè)好的軌跡度過我們的一生而別無選擇呢？多數(shù)科學(xué)家都同意讓哲學(xué)家們?nèi)幷撨@個問題。而他們卻全力轉(zhuǎn)向20世紀新物理學(xué)的中心?！　∈遣ㄟ€是粒子？　　牛頓的粒子物理論是這么的成功，難怪當(dāng)初解釋光行為時，他也按照粒子論方法處理。無論如何，觀察到的光是走直線的，并且光從鏡面反射時如一個球碰在一個硬墻上一樣。牛頓制造了第一臺反射式望遠鏡，解釋了白光是由七色光合成的，在光學(xué)中做了那么多工作，可他總是基于光是由一種稱為微粒的小粒子流組成的假說。光線在穿過光疏質(zhì)和光密質(zhì)邊界時傳播方向發(fā)生變化，正如光從空氣到水或玻璃中變彎（這就是為何攪酒棍在酒杯或桶中看來是彎的），只要假設(shè)微粒在光密質(zhì)中走得快一點就能解釋光的折射現(xiàn)象。即使在牛頓時代，仍有與之完全不同的解釋?！　『商m物理學(xué)家克里斯蒂安?惠更斯生于1629年，比牛頓大13歲，是同時代的人。他得出一個觀點：光并非是粒子流，而是一種波。就像水波在海面或湖面上傳播一樣，光通過一種不可見的“透明的以太”傳播。就像在湖塘里扔一顆石子引起的波傳播那樣，光在以太中傳播是從光源出發(fā)到各個方向的。波理論在解釋反射和折射時能同粒子說一樣合理。雖然說在光密質(zhì)的物質(zhì)中光波的傳播速度不是加快了而是減慢了，在當(dāng)時的17世紀沒有辦法測量光速，因此這方面的差別不足以區(qū)分這兩種理論的優(yōu)劣?？墒牵幸粋€關(guān)鍵的方面，在這點上可得到可以觀測到的不同預(yù)測。當(dāng)光通過一個尖銳的邊界時，它形成一個明顯的邊界影子。這極像粒子流的行為，因為它沿直線運動。而波動要轉(zhuǎn)彎或散射，以某種方式繞進暗影里（想象一下，水塘中的漣漪是能夠繞過石頭的）。300年前，這種現(xiàn)象很明顯對粒子論有利，而波動理論雖未被忘記卻也給拋棄了。然而到了19世紀，兩種觀點的狀況則完全反過來了?！　≡?8世紀，很少人能認真地看待光的波動說。在這極少數(shù)人中，當(dāng)時數(shù)學(xué)的帶頭人，曾對幾何、微積分和三角幾何做出主要貢獻的瑞士數(shù)學(xué)家雷納德?歐拉（Leonhard Euler）不僅認真地對待光的波動說，而且還寫文章支持這種學(xué)說。說起歐拉，現(xiàn)代數(shù)學(xué)與物理全由算術(shù)項和方程描述，數(shù)學(xué)描述所依賴的技巧大部分是由歐拉創(chuàng)立的。在此過程中，他創(chuàng)立了至今仍被使用的符號縮寫，如π表示圓周率；i表示-1的開方根（我們還會與π一起遇到它）；被數(shù)學(xué)工作者使用的積分運算符號等等。奇怪的是，在《大英百科全書》的歐拉條目中沒有提到他的波動觀點。這個觀點在他同時代中沒有一個“著名物理學(xué)家”支持。在歐拉同時代人中，贊同這個觀點的唯一名人是本杰明?富蘭克林；直到19世紀初英國人托馬斯?揚完成他的關(guān)鍵實驗之前，物理學(xué)家對待這個觀點，都不屑一顧。不久法國人奧古斯汀?菲涅爾又重做了這些實驗?！　〔▌永碚摰膭倮　P根據(jù)通過水塘表面水波的運動知識，設(shè)計實驗檢驗了是否光也同樣傳播。我們都知道水波是什么樣的，雖然為了精確分析起見考慮的是小波而非大波。波的明顯特征是在波傳過時會抬高水位然后又壓低水位；波峰高出平靜的水面的高度為它的波幅，對理想的波來說，波傳過時，水面被壓下的幅度也與之相同。一系列波紋，就像在水塘中扔下一顆石子激起的漣漪那樣，一個接一個具有相等的問題，此間距叫做波長，可表示為從一個波峰到另一個波峰的距離。當(dāng)石子落入水塘?xí)r，激起的波紋環(huán)繞著源點，從中心向外一圈圈地傳播；可是海中的波浪或在湖中由風(fēng)拂起的水波由系列平行直線一條接一條地向前傳播。這兩種方式下，1秒鐘內(nèi)通過一個固定點——比如說石頭的波峰數(shù)是個不變的數(shù)目，稱為波的頻率。頻率表示1秒鐘通過的波紋數(shù)，因此每一個波峰向前運動的速度都是波長乘以頻率。　　關(guān)鍵性的實驗從平行波開始，正如到達海岸線之前的波線一樣。你可以想象在水塘中扔一塊石子并在遠處觀察它所激發(fā)出來的波紋。波紋的圓周越來越大，在離源點足夠遠的地方，波紋就像是平行的直線一樣。我們很難觀察到圍繞擾動點的大圓的曲率，但卻很容易觀察到當(dāng)波在傳播路徑上遇到障礙物時會出現(xiàn)什么情況。如果障礙物很小，由于波的衍射特性，波會繞過障礙物而幾乎不留下“影子”；但是如果障礙物的尺寸比波紋的波長大得多時，波紋僅僅在障礙物邊緣處彎進去一點點，留下一大塊未受擾動的水面。光是波，就必然具有清晰的影子，只要光的波長比障礙物的尺寸小得多就行?！　‖F(xiàn)在將這個問題倒過來思考。設(shè)想一系列細微的平面波在水槽中傳播，遇到的不是一個障礙物而是一道墻，只不過墻的中間開了一個小孔。如果小孔直徑比波長大得多，那么只有對著小孔區(qū)域的波能穿過，而大多數(shù)波紋，如同沖向碼頭的水波，無法穿墻而過?？墒侨绻麎ι峡椎闹睆胶苄?，那么這個小孔就會成為新的環(huán)狀波的一個波源，就如在那里扔下了一塊石頭。波紋漸漸遠離墻面，所形成的圓形波（確切地說是半圓形的）就在原先平靜的水面上傳播?！　『?，現(xiàn)在我們可以談到揚的實驗了。設(shè)想象前述那樣，平行水波傳過水槽遇到一個阻板，在這個阻板上有兩個孔。每個孔都成為一個激發(fā)半圓波的新波源，兩列波都源于阻板的同一側(cè)而向另一側(cè)傳播，它們不但頻率相同，而且總是同相，在水面上傳播形成較為復(fù)雜的漣漪圖案。波在某處疊加，當(dāng)兩列波都處于波峰，我們得到增強的波峰，當(dāng)一列波處于波峰，另一列波處于波谷，它們相互抵消。這種效應(yīng)被分別稱為相增干涉和相消干涉。由這種效應(yīng)很容易看到，只要在水塘中同時扔下兩塊石子就可以了。如果光是波動的話，那么等效的實驗就可以形成波紋的干涉條紋，這正是揚發(fā)現(xiàn)的?！　P將一束光照到具有兩個狹縫的阻擋屏上，在屏的后面，光從兩個小孔傳播出來并相互干涉。如果光同水波一樣也是波的話，那么由于相增干涉和相消干涉，在阻擋屏之后會形成明暗交錯的區(qū)域。當(dāng)揚將一個白屏放在窄縫之后，剛好看到他所尋找的——明暗相間的條紋?！　】墒菗P的實驗并未引起科學(xué)界的興趣，特別在英國，創(chuàng)立任何被認為與牛頓觀點相悖的理論幾乎都會被認定為是異教徒的行為。牛頓逝世于1727年，在1705年，也就是離揚宣布他的發(fā)現(xiàn)不到100年，牛頓是第一個因科學(xué)研究工作而被封為騎士的。

編輯推薦

　　《尋找薛定諤的貓(修訂版)》是一部無與倫比的科普著作，揭開量子物理的神秘面紗。上帝也會擲骰子——約翰·格里賓揭示了量子力學(xué)怪異奇特而又嚴謹?shù)囊幻?。是否知曉量子力學(xué)與進化論，是歐美上流社會衡量一個人有無科學(xué)教養(yǎng)的標(biāo)準。

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